快淬Fe-Ga合金薄带的显微组织和磁致伸缩性能

刘芬霞

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州，730050）

快淬Fe-Ga合金薄带的显微组织和磁致伸缩性能

刘芬霞

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州，730050）

采用熔体快淬的方法成功制备了名义成分分别为Fe100-iGai（i=21，18，17）的合金薄带。重点研究了旋转速率分别为12 m/s、15 m/s、20 m/s条件下Fe83Ga17合金薄带的组织、成分和磁致伸缩性能。研究发现：合金的组织结构及磁致伸缩性能与快淬时的冷却速率密切相关。对辊速分别为12 m/s、15 m/s、20m/s所制得的Fe83Ga17合金快淬薄带的研究发现，当辊速由20 m/s降低到12 m/s时，其相应的磁致伸缩数值呈现出先降低后增加的变化趋势。在20 m/s ～15 m/s的变化条件下，晶格畸变增加并没有使得磁致伸缩数值有所提高；而当辊速下降到12 m/s时，所制备的Fe83Ga17合金薄带的磁致伸缩系数值λ呈现出最高，达到了65×10-6；通过XRD分析，不同旋转速率条件制备的合金薄带在（110）晶面和（200）晶面上呈现出一定的择优取向，且在12 m/s辊速下制备的快淬Fe83Ga17薄带中，该取向性最明显。分析认为：富Ga相的析出不利于磁致伸缩系数的提高。

Fe-Ga合金；熔体快淬；晶格畸变；磁致伸缩

引言

磁致伸缩材料是20世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，以其磁致伸缩系数大、机械响应高等特点，被广泛应用于航天、机械、医疗等领域。这类材料的理论基础是铁磁材料在磁场作用下发生长度或体积变化，其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。磁致伸缩材料的长度在磁场作用下会发生改变，同样可以产生位移从而做功；如果将其置于交变磁场中，便可发生伸长与缩短，且具有与磁场变化周期相同的反复性，这样便会产生振动从而产生声波，因此该材料可以实现电磁能到机械能或声能的转换，也可以实现机械能到电磁能的转换，是一种重要的搭建信息与能量桥梁的功能材料［1］。

稀土超磁致伸缩材料（主要以Tb-Dy-Fe为代表）［2］指的是稀土-铁系金属间化合物，虽然这类材料的磁致伸缩数值可以达到2×10-9，但是饱和磁场高、质地脆、原材料成本高、材料尺寸小。近几年研究人员发现如果将非磁性元素Ga加入Fe中，这样形成的Fe-Ga合金的磁致伸缩数值可以增加数十倍［2］，而且Fe-Ga合金相比稀土超磁致伸缩材料将会有更广泛的应用，尤其适用于具有强冲击、强震动、强腐蚀、大负荷等非常恶劣的条件。由于Fe-Ga合金的相结构与其磁致伸缩性能的联系极为敏感，而材料的相结构由其热处理历史及制备方法所决定，因此对Fe-Ga合金的热处理工艺及制备方法的研究具有积极意义［3-7］，如提高其磁致伸缩性能。本论文着重研究不同甩速对甩带急冷试样的室温相组成、微观结构及对磁致伸缩性能的影响。

1 实验方法

分别采用纯度为99.9%的Fe和99.99%的Ga元素，在真空电弧熔炼炉中熔炼配制母合金锭，合金名义成分为Fe100-iGai（x=21，18，17）。利用熔体快淬设备，在氩气保护条件下，制备出宽度0.95～2.18 mm，厚度为75～180 μm的合金薄带。用D/MAX-RB型X射线衍射仪确定薄带的取向及相组成。采用探针对合金进行成分分析。利用MeF3大型金相显微镜对薄带的显微组织进行观察。利用磁致伸缩参数测量仪（型号为JDM-30）对样品的磁致伸缩数值进行测量，方向沿薄带长度，磁场方向与带面平行。

2 磁致伸缩性能分析

采用标准电阻应变法测量Fe83Ga17合金薄带的磁致伸缩应变值结果如图1所示，给出了不同辊速下的Fe83Ga17合金薄带其磁致伸缩应变值与磁场的关系曲线。从图中不难发现，随着磁场强度的增加，薄带在沿长度方向上发生了伸缩。当外加磁场为75 kA/m时，bd-17-12，bd-17-15，bd-17-20分别达到了（65，30.5， 14）×10-6。很明显，bd-17-12的磁致伸缩数值最大，接着是bd-17-20，最后是bd-17-15。它们这种变化趋势与晶体的结构和微观组织形貌是有必然联系的。

图1　不同辊速下薄带的磁致伸缩值与磁场的关系曲线图

通过对XRD的分析可知，对于Fe83Ga17合金薄带，随着冷却速度的降低晶格畸变逐渐增大。结合不同辊速下的Fe83Ga17合金薄带磁致伸缩应变值的变化趋势来看，当辊速由20 m/s降到12 m/s时，其相应的磁致伸缩数值呈现出先降低后增加的变化趋势。在20 m/s ～ 15 m/s的变化条件下，晶格畸变增加并没有使得磁致伸缩数值呈现出提高的变化趋势；而当辊速降到12 m/s时，所制备的Fe83Ga17合金薄带的磁致伸缩系数值λ呈现出最高。可见，在成分一定的情况下，当冷却速度不同时，其对Fe-Ga合金薄带磁致伸缩的影响也不同，这种现象可能与其内部的组织有关系，且可能有以下三点影响：一是Ga原子固溶在α-Fe中的占位不同；二是Clark等人提出在Fe-Ga合金中存在的Do3相具有一定的有序度；三是这种Do3相含量的多少。这些问题都有待进一步研究。

另外，结合前述分析，认为富Ga相的大量析出不利于磁致伸缩系数的提高，但富Ga相含量为多少时磁致伸缩性能有待进一步研究。在12 m/s辊速下制备的快淬Fe83Ga17薄带的磁致伸缩系数值λ最大，推测是与其沿薄带厚度方向存在各向异性以及（110）晶面的取向性最为明显，具有一定的相关性。

3 结论

采用熔体快淬的方法，在辊速分别为12 m/s、15 m/s、20 m/s下制备Fe83Ga17合金薄带，研究发现：

（1） 合金组织结构及磁致伸缩性能与快淬时的冷却速率密切相关。随着冷却速率的降低，固溶到α-Fe相中的Ga元素所造成的晶格畸变不断增加；辊速由20 m/s降低到12 m/s时，其相应的磁致伸缩数值呈现出先降低后增加的变化趋势。在20 m/s ～ 15 m/s的变化条件下，晶格畸变增加并没有使得磁致伸缩数值有所提高；而当辊速下降到12 m/s时，所制备的Fe83Ga17合金薄带的磁致伸缩系数值λ呈现出最高，在外加磁场为75 kA/m时，达到了65×10-6。

（2） 富Ga相的析出对提高磁致伸缩数值不利。

（3） 由不同转速制备的合金薄带在（110）晶面和（200）晶面上呈现出一定的择优取向，且在12 m/s辊速下制备的快淬Fe83Ga17薄带中，该取向性最明显，这种各向异性对磁致伸缩有所贡献。

［1］周寿增， 董清飞. 超强永磁体—稀土铁系永磁材料［M］. 北京:冶金工业出版社， 1999.

［2］徐翔， 蒋成保， 徐惠彬. Fe72.5Ga27.5合金的相结构和磁致伸缩性能［J］. 金属学报， 2005， 41（5）: 483-486.

［3］韩志勇， 张茂才， 高学绪， 等. 〈110〉轴向取向Fe83Ga17合金中原子间作用与磁致伸缩的关系［J］. 功能材料， 2004， 35（5）: 548-549.

［4］刘国栋， 李养贤， 胡海宁， 等. 甩带Fe85Ga15合金的巨磁致伸缩研究［J］. 物理学报， 2004， 53（9）: 3191-3195.

［5］刘国栋， 李养贤， 曲静萍， 等. 团簇对甩带Fe-Ga合金磁致伸缩的贡献［C］// 全国磁性薄膜与纳米磁学会议， 2004.

［6］江洪林. Fe-Ga合金组织结构和磁致伸缩性能的研究［D］. 北京:北京科技大学， 2006.

［7］张艳龙. 磁致伸缩材料Fe-Ga合金的研究［D］. 甘肃: 兰州理工大学， 2009.

刘芬霞（1972-），女，甘肃，汉，讲师。研究方向：材料物理与化学。

Microstructure of Quenched Fe-Ga Alloy Strip and Magnetostrictive Properties

Fenxia Liu（College of Technology and Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu， 730050， China）

The Fe100-iGai（i=21， 18， 17） alloy ribbons are prepared by the melt-spun. The correlative relationship between the form， composition and the magnetostriction of the Fe83Ga17alloy ribbons are investigated emphatically in this paper while the turning speed of the roller is 12， 15， 20 m/s， respectively. It shows that the form structure and magnetostriction of the alloy ribbons are related to the colling rate of the melt-spun. While the speed falls to 12 m/s， the magnetostriction of the alloy ribbons falls then rises；while the speed falls to 15 m/s， the increasing lattice distortion does not improve. The max-value 65×10-6of λ has been obtained in the Fe83Ga17ribbon with the roller speed of 12 m/s. The XRD analysis shows that the alloy ribbons prepared in different roller speed are preferred to growth in the （110） and （200）crystal faces， especially the Fe83Ga17alloy ribbon prepares in the speed of 12m/s， and the rich Ga phase precipitation is to the disadvantage of improving the magnetostriction coefficient.

Fe-Ga Alloy； Melt-spun； Lattice Distortion； Magnetostriction

TG113

A

2095-8412 （2016） 04-676-03

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.025